Повышение эффективности токарного режущего инструмента (РИ) возможно за счет применения износостойких покрытий (ИП). История использования ИП в инструментальном производстве насчитывает несколько десятилетий, в результате чего было создано значительное количество конструкций ИП. Поэтому дальнейшее увеличение их эффективности возможно только за счет проведения широких исследований механизма износа и разрушения ИП, изучения физико-механических и физико-химических процессов, сопровождающих процесс резания инструментом с ИП.
Следует отметить, что в зависимости от инструментального материала РИ (быстрорежущая сталь или твердый сплав) подходы к конструированию ИП могут идти по двум различным направлениям. В случае твердосплавного РИ, работающего в условиях резания, характеризующихся высокой теплосиловой напряженностью, ИП должны обеспечивать высокую трещиностойкость и способность сохранять формоустойчивость режущего клина. При создании ИП для быстрорежущего РИ на первый план выходит требование высокой прочности сцепления ИП с инструментальной основой.
Известно, что разрушение ИП на операциях непрерывного резания (в частности, при токарной обработке) происходит в результате образования в них трещин [1]. На участке пластического контакта трещины имеют относительно большой размер и располагаются вдоль режущей кромки. Природа их образования - упруго-пластические деформации режущего клина РИ в процессе резания. Трещины на участке упругого контакта имеют меньшие размеры и хаотический характер распространения. Причиной их образования являются касательные напряжения, возникающие при скольжении стружки по передней поверхности, и адгезионно-усталостные процессы. В условиях непрерывного резания ИП должны отвечать следующим требованиям: 1) иметь высокий уровень собственных сжимающих остаточных напряжений для сдерживания процессов образования и развития трещин; 2) способствовать повышению формоустойчивости режущего клина за счет увеличения его запаса пластической прочности; 3) иметь высокую прочность сцепления с инструментальной основой. Первому и второму требованиям отвечают многоэлементные ИП, например, TiZrN, TiZrCN и одноэлементн на основе карбонитрида титана, например, TiCN, третьему условию - одноэлементные нитридные покрытия, например, TiN.
Очевидно, что указанные требования в объеме однослойного покрытия обеспечить невозможно, и они могут быть реализованы только в многослойном покрытии (МП). Такое ИП должно иметь как минимум два слоя: верхний слой должен обеспечить повышение запаса пластической прочности и, следовательно, формоустойчивости режущего клина и снижение интенсивности процессов трещинообразования за счет высокого уровня остаточных сжимающих напряжений, а нижний слой - высокую прочность сцепления с инструментальной основой. В соответствии с предложенным принципом разработаны двухслойные покрытия, имеющие верхний слой из TiZrN и TiCN и нижний слой из TiN: TiN-TiZrN и TiN-TiCN.
Результаты исследований показали, что предложенные МП позволяют повысить период стойкости РИ по сравнению с покрытием TiN в 1,7 - 4,4 раза (в зависимости от конструкции покрытия и режима резания). Опытно-промышленными испытаниями, проведенными в производственных условиях ОАО «Автодеталь-Сервис» (г. Ульяновск) и ОАО «Утес» (г. Ульяновск), зафиксировано повышение периода стойкости токарных резцов, оснащенных твердосплавными неперетачиваемыми пластинами, в 2,8 - 3,7 раза по сравнению с РИ без покрытия и в 1,5 - 2,0 раза по сравнению с РИ с покрытием TiN в зависимости от состава МП, обрабатываемого материала и режима резания.
При создании ИП для быстрорежущих РИ на первое место выходит требование высокой адгезии с инструментальной основой. Повышение прочности адгезионной связи с инструментальной основой можно обеспечить путем нанесения переходного адгезионного слоя (ПАС), расположенного между основным слоем ИП и основой и включающего в себя компоненты инструментальной основы и ИП. Последнее способствует снижению перепада напряжений на их границе и в покрытии в целом [2]. На основе анализа результатов исследований были предложены конструкции МП на основе TiN с ПАС (Ti - Fe), TiFeN и сочетания (Ti - Fe) + TiFeN, а также на основе сложного нитрида TiZrN с сочетанием ПАС (Ti - Zr - Fe) + TiZrFeN. Наличие ПАС в этих МП позволяет снизить перепад напряжений на границе ИП и инструментальной основы.
Опытно-промышленными испытаниями, проведенными в производственных условиях ОАО «Автодеталь-Сервис» (г. Ульяновск), подтверждена высокая работоспособность РИ с разработанными МП, имеющими ПАС. Технико-экономические расчеты показали, что применение РИ с разработанными МП, позволяет снизить себестоимость механической обработки заготовок на 4 - 22 % по сравнению с РИ с покрытием TiN. Ожидаемый годовой экономический эффект от использования таких РИ составит до 52,2 тыс. руб. на один станок по сравнению с применением РИ с покрытием TiN. Разработанные конструкции МП с ПАС защищены патентами на изобретения и полезные модели [3].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. - Ульяновск: УлГТУ, 1998. - 122с.
- Табаков В.П., Рандин А.В. Теоретико - экспериментальные исследования формирования свойств и конструкции покрытий с переходными адгезионными слоями //Математическое моделирование физических, экономических, технич., социальных систем и процессов: Труды пятой международной научно-технич. конф. Ульяновск: УлГУ, 2003. С. 185 - 186.
- Патент на изобретение RU 2203978 РФ, МКИ 7 С 23 С 14/06, 14/24. Способ получения износостойкого покрытия в вакууме / В.П. Табаков, Г.К. Рябов, Н.А. Ширманов, А.В. Рандин. 2001102159/02. Заявл. 23.01.01. Опубл. 10.05.03. Бюл. № 13.